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基本設計を開始する際の出発点がプロセス設計です。化学工学についてある程度知っており、プロセス設計を学びたい方を対象としています。「プロセス設計の実務」はプロセス設計への実務編としてもご利用下さい。

プロセスエンジニアリングの計算ルール

ガスの圧力損失計算液体の圧力損失計算水スチームのフラッシュ計算縦型円筒容器の容量計算 前のページへ
ガス放出の必要時間液体ドレンの必要時間圧縮機の軸馬力計算ポンプの軸馬力計算 次のページへ

1. 物質収支の計算

1.1 設計基本

プロセス設計に必要な情報として設計基本があります。これについてはすでに基本設計演習「エタノール合成」の”第1章 設計基本”で説明していますので詳細は割愛し、内容のみ記述します。
まず、原料である天然ガスとスチームの仕様を記述します。ただし、天然ガスの組成はメタン(CH4)100%とします。

  1. 天然ガス(NG):流量 1,000kmol/h、圧力 3.3MPa、温度25℃
  2. スチーム(steam):流量 3,000kmol/h、圧力 4.1MPa、温度350℃

1.2 物質収支計算ツールの準備

実際のプロセス設計では物質熱収支の計算からスタートします。多くの企業ではASPEN PLUS, gPROMS, HYSYS, PRO/IIなどのプロセスシミュレータを使用して計算しますが、ここでは物質収支計算ツールをExcelで作ってみましょう。
まず、Excelでの物質収支計算を表形式で作成することにします。そのためには、行と列に何を記述するかを決めなければなりません。そこで、以下の取り決めをします。

  1. 横方向に原料や加熱・冷却・分離・反応などの単位操作での流入とと流出ストリームを操作順に左から右へ並べていきます。例えば、天然ガス供給(NG feed)や改質用スチーム(Reforming steam)など。
  2. 縦方向にはストリーム名(Steam name)、ストリーム番号(Stream number)、組成(Components)、流量(flow)、圧力(pressure)や温度(temperature)などの欄を作成します。
  3. 組成(例えばメタン)の欄には分子量(MW : molecular weight)を明示できるようにします。
  4. 各ストリームには左に流量(kmol)、右に組成(mol%)を書き込めるように縦に二分割します。
  5. ストリーム番号(Stream number)は任意でかまいませんが、出来れば工程ごとに百番台を別にして決めるようにして下さい。
  6. 流量には「Dry total flow」、「Wet total flow」、そして「Mass total flow」の三種類があります。「Dry total flow」は水以外の物質の合計流量(kmol/h)を意味し、「Wet total flow」は「Dry total flow」に水を加えた合計流量(kmol/h)を意味します。また、「Mass total flow」は合計の質量流量を意味しています。つまり、各組成の流量(kmol/h)に分子量(MW)を乗じ、その合計値を意味しています。
  7. 圧力の単位はMPaを基本としますが、平衡計算などでatmを使用していることも多いので両方明記します。なお、換算係数は 9.86923 を使用しています。
  8. 温度の単位はdeg.C(℃)とdeg.Kの両方を明記します。


これらの取り決めをもとに計算表を作成します。その一例を下図に示します。また、そのExcel版をダウンロードできるようにしましたので、興味ある人はクリックしてみて下さい。

ダウンロードするLinkIcon

天然ガス組成と物質収支

天然ガスの組成は採取されるガス田ごとに異なっています。また、時間が経過するにつれても組成が変化する場合があります。そのために天然ガスを原料とするプラント設計では、あらかじめ数種類の天然ガス組成を用意して設計に反映させる必要があります。

主な組成変更はメタン以外のC2以上の割合、CO2やN2などの増減、そして一般的な触媒毒である硫黄分や塩素分、そしてまれには水銀などです。